Регулирование распределения воздуха в вентиляционной сети шахты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Регулирование распределения воздуха в вентиляционной сети шахты



1. Задачи и способы регулирования

При ведении горных работ в значительной степени изменяются параметры, определяющие вентиляцию шахт: аэродинамическое сопротивление горных выработок, их газообильность, нагрузка на очистные забои, топология вентиляционной сети и т.д. Для своевременного учета этих колебаний необходимо своевременное и гибкое регулирование подачи воздуха в шахту и распределения его в вентиляционной сети. В практике рудничной вентиляции применяют различные способы регулирования количества воздуха. Увеличение или уменьшение общешахтного количества воздуха достигается изменением режима работы главного вентилятора и общего аэродинамического сопротивления шахты. регулирование распределения воздуха в отдельных выработках или соединениях выработок осуществляется изменением аэродинамического сопротивления отдельных ветвей, установкой вспомогательных вентиляторов, воздушными завесами.

Все способы регулирования распределения воздуха подразделяются на отрицательные и положительные. К отрицательным способам относятся такие, которые приводят к увеличению аэродинамического сопротивления отдельных ветвей и шахтной сети в целом. Применение отрицательного регулирования приводит к увеличению расхода энергии на проветривание шахты. Положительными являются способы, не связанные с увеличением аэродинамического сопротивления горных выработок. При положительных способах регулирования перераспределение воздуха в ветвях сети достигается либо за счет уменьшения аэродинамического сопротивления выработок, либо за счет увеличения количества воздуха и депрессии ветвей путем установки в них дополнительных вентиляторов.



2. Регулирование подачи воздуха в шахту изменением режима работы главного вентилятора

Напор и количество воздуха, подаваемого в шахту вентилятором в единицу времени зависит от диаметра рабочего колеса, частоты его вращения и угла установки лопастей рабочих колес и направляющего аппарата.

При увеличении или уменьшении частоты вращения колеса вентилятора n количество воздуха Q и депрессия h изменяются по следующим зависимостям

Q₂=Q₁ (1)

h₂=h₁ (2)

где индексами 1 и 2 соответственно обозначены параметры прежнего и нового режима работы вентилятора.

Регулирование путем поворота лопаток рабочего колеса вентилятора применяется при работе осевых вентиляторов. Изменение угла установки лопаток на колесе приводит к изменению количества воздуха подаваемого вентилятором.

Регулирование путем поворота лопаток направляющего аппарата применяется как у осевых так и у центробежных вентиляторов. в этом случае поворачиваются лопатки на направляющем аппарате, устанавливаемом после рабочего колеса для выпрямления потока.



3. Регулирование распределения воздуха в вентиляционной сети шахты

3.1 Регулирование увеличением сопротивления выработок

Увеличение аэродинамического сопротивления выработок является одним из наиболее распространенных и доступных способов регулирования распределения воздуха не требующих значительных затрат. Искусственное увеличение аэродинамического сопротивления достигается установкой в них регуляторов отрицательного типа - вентиляционных дверей, окон, воздушных карманов, воздушных лабиринтов и завес. Наиболее распространенными из указанных выше отрицательных регуляторов являются вентиляционные окна и двери. Установка в выработках отрицательных регуляторов приводит к увеличению сопротивления выработок и вентиляционной сети в целом. Следовательно, изменится режим работы вентилятора главного проветривания и количество воздуха, поступающее в шахту, может быть меньше расчетного. Поэтому прежде чем приступить к отрицательному регулированию необходимо определить целесообразность и возможность такого регулирования.

3.2 Решение задачи о целесообразности отрицательного регулирования

Задана вентиляционная сеть произвольной сложности (рис.1)

Допустим, что в вентиляционной ветви, сопротивление которой R_i необходимо установить отрицательный регулятор сопротивление, которого R_ок . В результате этого изменится сопротивление всей сети R_с и режим работы вентилятора H_в и Q_в. Определим аэродинамическое сопротивление сети и режим работа вентилятора после установки регулятора. При решении этой задачи используется принцип минимума затрат мощности на проветривание вентиляционной сети.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1 - К определению целесообразности отрицательного регулирования распределения воздуха

Мощность, затрачиваемая на проветривание любой выработки, определяется равенством

N_i=q_i h_i кг м/с(7.1)

где q_i - расход воздуха в выработке, м³/с;

h_i - депрессия выработки кг/м².

Выражая в равенстве (1) депрессию через аэродинамическое сопротивление выработки R_i и расход воздуха q_i т.е. h_i=R_i•q, получим

N_i=R_i•q (2)

Для сети, включающей n общий расход мощности на проветривание составит

N=R₁ q+R₂ q+…… +R_i q+……R_n q= (3)

C другой стороны эта величина может быть выражена равенством

N=R_c•Q³ (4)

где R_c - аэродинамическое сопротивление сети, k;

Q - расход воздуха в сети. м³/с.

Приравнивая правые части равенств (3) (4), получим

R_c Q³= (5)

откуда определяем сопротивление сети

R_c= (6)

Отношение q_i/Q=x_i назовем относительным расходом воздуха в данной ветви, тогда

R_c= (7)

Для того, что бы определить, как изменится сопротивление сети R_с при изменении сопротивления i-той ветви, необходимо продифференцировать выражение (7) по R_i

(8)

(9)

dR_c=dR_i x (10)

Переходя от бесконечно-малых приращений к конечным прирощениям, получим

ДR_c=ДR_i x (11)

Для ведения расчетов по формуле (11) знать расход воздуха в выработке, где устанавливается регулятор q_i , расход воздуха в вентиляционной сети Q и депрессию вентиляционной сети Н до регулирования

Пример расчета.

Дано: Расход воздуха в сети до установки окна Q=150 м³/с;

Депрессия вентиляционной сети Н=300 кг/м²;

Расход воздуха в ветви q_i=20 м³/с;

Аэродинамическое сопротивление регулятора ДR_i=0.5 k

Необходимо определить аэродинамическое сопротивление сети и режим работы вентилятора после установки регулятора.

Определяем аэродинамическое сопротивление сети до установки регулятора

R_c===0.0133 k

Определяем приращение сопротивления сети после установки регулятора по формуле (11)

ДR_c=0.5 =0.0012 k

Определяем сопротивление сети после установки регулятора

R=R_c+ДRc



R=0.0133+0.0012=0.0145 k

Для того, что бы определить, как изменится режим работы вентилятора после установки регулятора, необходимо на аэродинамической характеристике вентилятора построить характеристику сети по формуле

H₁=R Q² (12)

3.3 Отрицательное регулирование вентиляционными окнами

Отрицательное регулирование вентиляционными окнами является наиболее распространенным, так как не требует значительных затрат. Вентиляционные окна (рис.2) представляют собой отверстия в вентиляционных дверях или перемычках, пропускающих определенное количество воздуха. Целесообразно устраивать окна с изменяющейся площадью отверстия, что делает возможным производить регулирование более гибко.

С аэродинамической точки зрения вентиляционное окно представляет собой диафрагму, которая вызывает резкое сужение воздушного потока (рис.2). Сужение это продолжается за пределами окна до сечения II-II, затем поток расширяется. Когда воздушный поток проходит окно происходит сжатие и расширение струи с возникновением обратных токов и завихрений в застойных зонах. Потери давления в потоке при прохождении окна, или депрессия окна, определяется из выражения

h_ок= (13)

где - удельный вес воздуха;

g - ускорение свободного падения;

v₁ - средняя скорость движения воздуха в сечении I-I;

Размещено на http://www.allbest.ru/

Из равенства (13) определяем приращение скорости движения воздуха в окне

v₂ - v₁= (14)

Среднюю скорость движения воздуха по выработке в сечении I-I и в струе в сечении II-II можно выразить через количество воздуха Q, поперечное сечение выработки S и поперечное сечение струи S_c в месте максимального сжатия

v₁= (15)

v₂= (16)

Cечение струи в месте максимального сужения II-II можно выразить через площадь сечения окна S_ок

S_c= (17)

где - коэффициент сужения потока.

Следовательно:

v₂= (18)

Из равенств (15), (16) определяем приращение скорости в окне

v₂ - v₁ =- (19)

Приравнивая правые части равенств (14) и (19) получим

=- (20)

Из равенства (21) определяем поперечное сечение окна

S_ок= (21)

Экспериментально установлено, что когда отношение S_ок/S?0.5 =0.65. Кроме этого =1.2 кг/м³, а g=9.81 м/с². Постанавливая значения , , и g в равенство (21) получим

S_ок= (22)



Потеря напора в окне может быть выражена через расход воздуха и аэродинамическое сопротивление окна, т.е. h_ок=R_окQ², тогда из равенства (22) получим

S_ок= (23)

Экспериментально установлено, что в том случае, когда S_ок/S> 0.5 ?0.65 при этом выполняется равенство

(24)

где v_ок - средняя скорость движения воздуха в окне

- коэффициент, равный 1.6-1.

Из равенства (24) получим

v_ок-v₁= (25)

Скорость движения воздуха в окне выражаем через расход воздуха и поперечное сечение окна, v_ок=Q/S_ок, тогда с учетом равенств (14), (15) поучим

=- (26)

Принимая =1.7,=1.2 кг/м³, g=9.81 м/с² и решая равенство (26) относительно S_ок, получим

S_ок= (27)

а учитывая, что h_ок=R_окQ² из равенства (27) получим

S_ок= (28)

Из равенств (21),(22), (26) и (27) видно, что для расчета поперечного сечения окна необходимо определить потери напора в окне или аэродинамическое сопротивление окна. Эти параметры определяются в зависимости от топологии вентиляционной сети на основании использования первого и второго законов расчета вентиляционных сетей, а также свойств простейших вентиляционных соединений. Рассмотрим примеры регулирования распределения воздуха в вентиляционной сети при помощи отрицательных регуляторов.

3.4 Регулирование распределения воздуха в простом параллельном соединении горных выработок

Необходимо определить поперечное сечение окна для распределения воздуха по крыльям шахтного поля аэродинамическое сопротивление которых R₁, R₂ (рис.3), в количестве q и q. Допустим, что необходимо увеличить подачу воздуха в крыло R₁, установкой вентиляционного окна в ветви R₂. Определим необходимое аэродинамическое сопротивление и поперечное вентиляционного окна. На основании свойств параллельного соединения горных выработок для схемы представленной на (рис.3) можно записать следующее равенство

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.3 - Схема к расчету аэродинамического сопротивления окна для регулирования распределения воздуха в простом параллельном соединении горных выработок.

R₁ (q)²=(R₂+R_ок) (q)² (29)

где R_ок - аэродинамическое сопротивление окна.

Из равенства (7.28) определяем сопротивление окна

R_ок=R₁-R₂ (30)

Отношение q/q=m назовем коэффициентом регулирования, тогда

R_ок=R₁ m² - R₂ (31)

3.5 Регулирование распределения воздуха в простом диагональном соединении горных выработок

Заданы сопротивления ветвей простого диагонального соединения R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, а также общее количество воздуха проходящего через это соединение Q (рис.4). При помощи вентиляционных окон распределить воздух таким образом, что бы расходы воздуха в ветвях были q₁, q₂,q₃, q₄, q₅, а воздух в диагонали двигался от узла 2 к узлу 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Требуемое распределение воздуха отличается от естественного, следовательно, для контуров 1-2-3-1 и 2-4-3-2 не будет выполняться второй закон сетей т.е.

h_1-2 +h_2-3 - h_1-3 ?0=Дh_1-2-3-1 (32)

h_2-4 - h_3-4 - h_2-3 ?0=Дh_2-4-3-2 (33)

Для того, что бы распределить воздух требуемым образом, необходимо в каждом контуре установить отрицательный регулятор, депрессия которого должна быть равна невязке депрессии по контуру, т.е.Дh_1-2-3-1 =h_ок и Дh_2-4-3-2=h_ок.

Если h_1-2 +h_2-3 >h_1-3 вентиляционное окно необходимо установить в ветви R₂, а если h_1-2 +h_2-3 <h_1-3 , вентиляционное окно необходимо установить в ветви R₁. Заметим, что нельзя устанавливать регулятор в ветви R₅, в связи с тем , что это приведет к перераспределению расхода воздуха сразу в обоих контурах. Аналогично для контура 2-4-3-2 . Если h_2-4 >h_3-4 +h_2-3 вентиляционное окно необходимо установить в ветви R₄, а если h_2-4 <h_3-4 +h_2-3 , вентиляционное окно необходимо установить в ветви R₃. Методика регулирования распределения воздуха в сложной вентиляционной сети отрицательными регуляторами аналогична рассмотренной выше.

3.6 Регулирование распределения воздуха положительными способами

Регулирование уменьшением сопротивления выработок

Одним из основных способов положительного регулирования распределения воздуха является уменьшение аэродинамического сопротивления отдельных ветвей и шахты в целом. Это достигается либо снижением коэффициента аэродинамического сопротивления , либо уменьшением длины выработки L, либо увеличением площади поперечного сечения выработки S.

Рассмотрим движение воздуха в параллельном соединении ветвей по схеме представленной на рис.5. Предположим, что по условиям производства требуется увеличить подачу воздуха в ветвь R₂ и одновременно снизить подачу воздуха в ветвь R₁.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Распределение воздуха в соединении до регулирования определяется соотношением

R₁ Q=R₂ Q (34)



где R₁, R₂ - аэродинамическое сопротивление ветвей до регулирования;

Q₁, Q₂ - количество воздуха в ветвях R₁, R₂ до регулирования.

Из равенства (34) определяем аэродинамическое сопротивление ветви R₂ до регулирования

R₂=R₁ (Q₁/Q₂)² (35)

Обозначим Q₁/Q₂=m₁, тогда поучим

R₂=R₁ m (36)

Увеличению количества воздуха в ветви R₂ должно соответствовать такое уменьшение аэродинамического сопротивления, при котором будет выдерживаться соотношение

R₁ (Q)²=R (Q)² (37)

где R₁, Q - соответственно аэродинамическое сопротивление и количество воздуха в ветви R₁ после регулирования;

Q.-.количество воздуха в ветви R₂ после регулирования.

Из выражения (37) получаем требуемое значение аэродинамического сопротивления ветви R₂ для заданного распределения расходов воздуха.

R=R₁ (38)

Обозначим Q/Q=m₂, тогда получим

R=R₁ m (39)

С учетом выражения (36) получаем зависимость для определения необходимой величины уменьшения аэродинамического сопротивления ветви R₂

ДR₂=R₂ - R=R₁ (m - m) (40)

Если уменьшение сопротивления ветви R₂ достигается за счет увеличения поперечного сечения выработки посредством перекрепления, то величина поперечного сечения выработки после перекрепления определится следующим образом.

Аэродинамическое сопротивление ветви R₂ до и после перекрепления определяется равенствами

R₂= (41)

R= (42)

где - соответственно, коэффициент аэродинамического сопротивления выработки до и после перекрепления. Как правило, изменение этого коэффициента при перекрепления выработок незначительно и при расчетах можно принимать ;

P₂, P - соответственно, периметр выработки до и после перекрепления;

L -. длина выработки;

S₂, S - соответственно, поперечное сечение выработки до и после перекрепления.

В равенствах (41), (42) выразим периметр выработки через поперечное сечение по формуле

P= (43)

где С - коэффициент равный 3.86 при арочной и 4.16 при трапециидальной форме поперечного сечения крепи.

С учетом выражения (43), равенства (41), (42) будут иметь вид

воздух вентилятор проветривание шахта

R₂= (44)

R= (45)

Разделив равенство (44) на равенство (45) получим

(46)

Из равенства (46) определим поперечное сечение выработки после перекрепления

S=S₂ (47)

Так как R₂=R₁ m, а R=R₁ m, получим

S=S₂ (48)

Регулирование с помощью вспомогательных вентиляторов

Согласно ПБ регулирование при помощи вспомогательных вентиляторов, устанавливаемых в шахте, разрешается только в не газовых шахтах.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рассмотрим пример регулирования расхода воздуха по крыльям шахтного поля при помощи вспомогательного вентилятора для схемы проветривания представленной на (рис.6).

Заданы сопротивления ветвей схемы представленной на рис.6. Шахта проветривается главным вентилятором депрессия которого Н₁. Для увеличения подачи воздуха в крыло R₁ в этом крыле установлен вспомогательный вентилятор, депрессия которого Н₂. Необходимо определить общее количество воздуха, поступающего в шахту Q₀ и количество воздуха по крыльям шахтного поля Q₁,Q₂. Схема, представленная на (рис.6) может быть преобразована к виду представленному на (рис.7)



Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема, представленная на рис.7 описывается следующей системой уравнений

R₁ Q + (R₀+R₃) Q=H₁+H₂ (49)

R₂ Q + (R₀+R₃) Q=H₁ (50)

Q₀=Q₁+Q₂ (51)

Обозначим

(R₀+R₃) Q=h (52)

тогда из равенств (49), (50) и (52) получим

Q₁= (53)

Q₂= (54)

Q₀= (55)



Подставляя значения Q₁, Q₂, Q₀ в равенство (51) получим

=+ (56)

Из равенства (56) определяем значение h, а по уравнениям (53) - (55) Q₁, Q₂, Q₀.

Регулирование распределения воздуха по крыльям шахтного поля при фланговой схеме проветривания шахты методом настройки вентиляторов.

Рассмотрим фланговую схему проветривания шахты двумя вентиляторами (рис.8), широко распространенную в практике. Изменения производственной обстановки могут потребовать различных вентиляционных маневров, связанных с теми или иными перераспределениями воздуха по крыльям шахты. Это в свою очередь потребует в каждом конкретном случае определенной настройки вентиляторов (и,n).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.8 - Фланговая схема проветривания шахты

При управлении вентиляцией шахты по такой схеме, практический интерес могут иметьследующие задачи:

Определить требуемую настройку вентиляторов для обеспечения заданной подачи воздуха Q₁, Q₂ на оба крыла шахты;

При заданной подачи в одно крыло, найти максимально возможную подачу в другое крыло и определить необходимый режим работы вентиляторов;

Определить настройку обеспечивающую максимальную и равную подачу воздуха в оба крыла шахты, то есть Q₁=Q₂=Q_max;

При известной подаче воздуха в шахту Q₀ обеспечить одинаковую подачу воздуха в оба крыла Q₁ Q₂.

Перечисленные задачи не решаются рассмотренными выше графическими методами анализа. Рассмотрим, как можно решить поставленные задачи. Для этого составим расчетный граф вентиляционной сети (рис.9).

На (рис.9) приняты следующие обозначения:

Q_в.1, Н₁, Q_в.2, Н₂ - соответственно, производительность и депрессия вентиляторов 1,2;

q₁, q_2,,R_у.1, R_у.2 - соответственно, внешние утечки воздуха и сопротивление путей утечек;

R₀, Q₀ - соответственно, сопротивление общего участка сети и количество воздуха поступающее в шахту;

R₁, R_2, Q₁, Q₂ - соответственно, сопротивление крыльев шахтного поля и расход воздуха по крыльям.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема представленная на (рис.9) описывается следующей системой уравнений:

Q₀=Q₁+Q₂ (57)

Q_в.1=Q₁+q₁ (58)

Q_в.2=Q₂+q₂ (59)

Н₁=R₀ *Q+R₁*Q (60)

Н₂=R₀ *Q+R₂*Q (61)

Н₁=R_у.1*q (62)

Н₂=R_у.2*q (63)

Представленные равенства позволяют решить поставленные выше задачи.

Решение задачи №1

Определим необходимую настройку вентиляторов для подачи воздуха по крыльям шахтного поля в количестве Q₁, Q₂ .

Решение задачи осуществляется в следующей последовательности:

По уравнениям (60) (61) определяем необходимую депрессию вентиляторов Н₁, Н₂ ;

Используя равенства (62) (63) определяем внешние утечки воздуха вентиляторов 1, 2

q₁= (64)

q₂= (65)

Определяем необходимую производительность вентиляторов Q_в.1, Q_в.2 по уравнениям (58) (59)

По полученным значениям Н₁, Q_в.1 и Н₂, Q_в.2 производим настройку вентиляторов 1, 2.

Решение задачи №2

Для схемы представленной на рис.9, методом настройки вентиляторов, определим какое максимальное количество воздуха можно подать в крыло R₂ при условии, что в крыло R₁ должно поступать количество воздуха Q₁.

Решение задачи

Запишем уравнения (60), (61) в виде

Н₁=R₀*(Q₁+Q₂)² + R₁*Q (66)

Н₂=R₀*(Q₁+Q₂)² + R₂*Q (67)

Так как Q₁=сonst задано то эти уравнения выражают зависимость депрессии обеих вентиляторов от одного переменного Q₂. Задаваясь произвольными значениями Q₂ по формуле (67) определяем ряд значений Н₂. По полученным данным на области промышленного использования (ОПИ) вентилятора 2 строим график зависимости Н₂=f (Q₂) (рис.9).

Так как производительность вентилятора складывается из подачи воздуха в шахту и внешних подсосов, то для определения его настройки необходимо выполнить графическое суммирование характеристики сети с характеристикой внешних утечек H₂=R_у.2*q.Задаваясь произвольными значениями q₂, строим характеристику внешних подсосов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выполняя графическое суммирование характеристики внешних подсосов с характеристикой шахты получим характеристику вентиляционной сети H₂=f (Q_в.2). Абсцисса точки 1 пересечения этой характеристики с правой крайней характеристикой вентилятора 2 определяет максимальную в заданных условиях производительность последнего, а абсцисса точки 2 максимально возможную подачу в крыло R₂. Абсцисса тачки 3 определяет подсосы воздуха с поверхности.

Подставив полученное значение Q₂ в формулу (66) определяем необходимую депрессию вентилятора 1. По полученным значениям Н₁, Q_в.1 и Н₂, Q_в.2 производим настройку вентиляторов 1, 2.

Решение задачи № 3

Для схемы представленной на рис.9, определим настройку вентиляторов, для обеспечения максимально возможной и равной подачи воздуха в оба крыла шахты.

Так как Q₁=Q₂=Q то равенства (60) (61) можно записать в виде

Н₁=R₀*(Q+Q)²+R₁*Q²=(4 R₀+R₁)*Q²(68)

Н₂=R₀*(Q+Q)²+R₁*Q²=(4 R₀+R₂)*Q²(69)

Выражая из этих уравнений Q и прибавляя к ним выражения утечек воздуха из уравнений (64) (65) получим в соответствии с уравнениями (58) (59) следующие выражения производительности обоих вентиляторов через их депрессии

Q_в.1= (70)

Q_в.2=(71)

По полученным уравнениям строим графики Q_в.1=f (H₁) и Q_в.2=f (H₂) на соответствующих ОПИ вентиляторов и определяем максимально возможную производительность каждого вентилятора, а затем один из них подстраиваем под другой по меньшей производительности.

Решение задачи №4

Для схемы представленной на (рис.9) при известной подаче воздуха в шахту Q₀ определить требуемую настройку вентиляторов для равной подачи воздуха по крыльям шахтного поля Q₁= Q₂=Q₀/2. При заданных условиях равенства (60), (61) можно записать в виде

Н₁=R₀ *Q+R₁*(Q₀/2)² (72)

Н₂=R₀*Q+R₂*(Q₀/2)² (73)

По равенствам (72), (73) определяем необходимую депрессию вентиляторов Н₁, Н₂. Используя уравнения(64), (65) определяем подсосы воздуха с поверхности, а по уравнениям (58), (59) - необходимую производительность вентиляторов, Q_в.1, Q_в.2. По полученным значениям Н₁, Q_в.1 и Н₂, Q_в.2 производим настройку вентиляторов 1, 2.



Литература

1. К.З. Ушаков, А.С. Бурчаков «Аэрология горных предприятий» М. «Недра» 1987.

2. К.З. Ушаков, А.С. Бурчаков «Рудничная аэрология» М. «Недра» 1978.

3. Г.Л.Пигида, Е.А. Будзило, Н.И.Горбунов «Аэродинамические расчеты по рудничной аэрологии в примерах и задачах», Киев 1992.

4. Ф.А. Абрамов, В.А. Бойко «Лабораторный практикум по рудничной вентиляции» М. «Недра» 1966.

5. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Киев 1994.

6. Прогрессивные технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах. Часть 1, М., 1979.

Размещено на Allbest.ru

...